Einthoven blev født den 21. maj 1860 på øen Java, tidligere en del af Hollandsk Ostindien og nu Indonesien. Han var den ældste søn af Jacob Einthoven og Louise M. M. C. De Vogel. Da Einthoven kun var 6 år gammel, døde hans far. Hans mor flyttede familien, herunder unge Einthoven og hans fem søskende, til Utrecht, Holland, et par år senere. I en alder af 18 gik Einthoven ind på universitetet der og havde til hensigt at studere medicin som sin far, der havde været både læge og militærlæge. Einthoven var en enestående studerende og modtog sin doktorgrad i 1885 efter at have afsluttet en afhandling om stereoskopi.
Einthoven accepterede en stilling som professor i fysiologi ved Universitetet i Leiden i 1886, og samme år giftede han sig med sin fætter fr. Hans faglige interesser var fokuseret på Optik, åndedræt og hjerte. Omkring 1889 deltog Einthoven i den første internationale kongres for fysiologer, hvor han så den britiske fysiolog Augustus Murer demonstrere brugen af et Lippmann kapillærelektrometer til registrering af hjertets elektriske aktivitet. Kapillærelektrometeret registrerede potentielle variationer, men på grund af dets lange justeringstid afspejlede målingerne foretaget af enheden ikke direkte tidspunktet for potentielle ændringer i den bankende hjertemuskel. Einthoven foretog en analyse af elektrometeret og de kurver, det producerede, hvilket resulterede i hans formulering af et middel til at korrigere instrumentets resultater for at opnå en nøjagtig registrering af hjertecyklussen. Ved at bruge denne metode identificerede Einthoven i 1895 fem afbøjninger af elektrisk strøm, der vises i et elektrokardiogram, som han indså svarede til variationer i elektriske impulser på bestemte punkter i hjertecyklussen, og som han udpegede P, K, R, S og T.
på trods af denne præstation indså Einthoven, at for regelmæssige medicinske evalueringer af mennesker var kapillærelektrometeret upraktisk på grund af den tid, der var involveret i beregning af korrektioner. Han begyndte at udvikle et nyt instrument, der ville være i stand til direkte at registrere potentielle variationer med tiden, hvilket resulterede i Einthovens strenggalvanometer, som han opfandt i 1901. Enheden lignede i mange henseender de strenggalvanometre, der allerede var i brug for at forstærke de signaler, der blev transmitteret over langdistancekabler, men var meget mere følsomme. Einthoven galvanometer anvendte en fin kvartsstreng lodret afbalanceret mellem de to poler på en magnet, så den blev afbøjet, når der opstod variation i elektrisk potentiale. Afbøjningerne kunne forstærkes og optages fotografisk eller spores direkte på papir. Einthoven testede det nye instrument og analyserede de resultater, han opnåede i løbet af mange år for at sikre dets præcision og anvendelighed til medicinsk arbejde. Instrumentet var et nøgleelement i hans opfindelse af elektrokardiografen i 1903.
Einthoven offentliggjorde den første detaljerede beskrivelse af sit galvanometer i 1909, og interessen for enheden var betydelig. På det tidspunkt havde Einthoven allerede bekræftet, at den grafiske repræsentation, han fik fra sit korrigerede arbejde med kapillærelektrometeret, var næsten identisk med de elektriske bølgeformer, der blev vist af hans galvanometer, hvilket bekræftede, at han havde opdaget en måde at fremstille et ægte elektrokardiogram på. Einthoven havde også allerede fundet, at elektrokardiogrammer generelt er i overensstemmelse med en grundlæggende type, at individer producerer deres egne karakteristiske elektrokardiogrammer, der typisk er i overensstemmelse med denne type, og at afvigelser ofte er forbundet med hjertesygdomme. I 1906 og 1908 offentliggjorde han papirer, der indeholdt adskillige eksempler på elektrokardiogrammer opnået fra patienter med forskellige former for hjerteabnormiteter. Derefter omdirigerede han fra 1908 til 1913 sin indsats og koncentrerede sig om det sunde hjerte for bedre at genkende de elektriske aktivitetsmønstre, det producerer, og derved udvikle en forbedret kapacitet til at opdage sygdomsrelaterede forskelle fra mønstrene.
når Einthovens galvanometre blev kommercielt tilgængelige, begyndte instrumenterne hurtigt at dukke op i fysiologiske laboratorier og til sidst de fleste hospitaler. Dette gjorde det muligt for andre forskere at udføre undersøgelser svarende til Einthoven, hvilket i høj grad forbedrede medicinske fagfolks evne til at diagnosticere hjerteproblemer. Da han offentliggjorde sin klassiske tekst om hjerteslagets mekanisme, anerkendte han passende sin gæld til Einthoven ved at dedikere arbejdet til den banebrydende fysiolog. Hjerte læger og fysiologiske efterforskere rundt om i verden fortsat skylder lignende kredit til Einthoven. Selvom moderne elektrokardiografmaskiner har udviklet sig siden begyndelsen af det 20.århundrede, fungerer de stadig på de samme grundlæggende principper, der udnyttes af Einthoven.
for sin opdagelse af elektrokardiogrammets mekanisme blev Einthoven tildelt Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 1924. Under sin accept af den store ære anerkendte han beskedent bidrag fra mange andre, der havde hjulpet med at gøre arbejdet muligt. Indtil hans død i 1927 fortsatte Einthoven, som var medlem af det hollandske Kongelige Videnskabsakademi, som professor ved Universitetet i Leiden.